在酸性電解質(zhì)中進(jìn)行二氧化碳電化學(xué)還原是實(shí)現(xiàn)二氧化碳高效利用的一種可行策略。
盡管酸性電解質(zhì)中的堿金屬陽(yáng)離子在抑制析氫反應(yīng)和促進(jìn)二氧化碳還原方面發(fā)揮著重要作用，但它們也會(huì)導(dǎo)致氣體擴(kuò)散電極（GDE）上碳酸氫鹽的沉積、電解液涌入GDE以及電解液pH值的漂移。
基于此，南方科技大學(xué)顧均助理教授（通訊作者）等人使用交聯(lián)聚二烯丙基二甲基氯化銨覆蓋催化劑，實(shí)現(xiàn)了在不含堿金屬陽(yáng)離子的酸性電解液中的二氧化碳電還原。
這種聚電解質(zhì)提供了固定在催化劑表面的高密度陽(yáng)離子位點(diǎn)，從而抑制了 H+?的大量遷移并調(diào)節(jié)了界面場(chǎng)強(qiáng)。
通過(guò)采用這種策略，在流動(dòng)池pH=1.0 的電解液中，銀催化劑產(chǎn)CO的法拉第效率達(dá)到 95 ± 3%；銦催化劑產(chǎn)甲酸的法拉第效率達(dá)到 76 ± 3%。
更重要的是，使用不含堿金屬陽(yáng)離子的酸性電解液時(shí)，電解液涌入 GDE的量減少到含堿金屬陽(yáng)離子酸性電解液的 2.5 ± 0.6%，并且在 -200 mA cm-2?下運(yùn)行 36 小時(shí)后，CO的法拉第效率仍保持在 80% 以上。
在室溫下電化學(xué)還原二氧化碳是一種很有前景的技術(shù)，可用于儲(chǔ)存可再生電力、固定二氧化碳以及生產(chǎn)有價(jià)值的燃料和化學(xué)品。要使這項(xiàng)技術(shù)在工業(yè)上可行，最大的挑戰(zhàn)之一是防止在陰極形成碳酸鹽/碳酸氫鹽。
由于 OH–?和 CO2之間的反應(yīng)，堿性電解液不是二氧化碳還原最依賴的電解液。在接近中性的電解液（如 KHCO3?溶液）中進(jìn)行二氧化碳還原時(shí)，部分二氧化碳會(huì)被陰極上生成的 OH–?消耗，形成 HCO3–?或?CO32-，而不是被還原。
形成的 HCO3–或CO32-遷移到陽(yáng)極，并被陽(yáng)極上產(chǎn)生的 H+?酸化，從而導(dǎo)致二氧化碳從陰極向陽(yáng)極的遷移。這一過(guò)程導(dǎo)致 CO2?利用效率較低。此外，近中性電解液的高電阻導(dǎo)致高電流密度下的能效低下。
最近，人們開發(fā)出了利用酸性電解液還原二氧化碳的技術(shù)來(lái)解決上述問(wèn)題。在酸性條件下，堿金屬陽(yáng)離子在抑制析氫反應(yīng)（HER）和促進(jìn)二氧化碳還原方面發(fā)揮著重要作用。
然而，在酸性電解質(zhì)中還原 CO2?時(shí)，堿金屬陽(yáng)離子會(huì)在陰極上引起碳酸氫鹽沉淀，這仍然是阻礙持續(xù)性還原CO2的一個(gè)問(wèn)題。
有人提出了酸性電解質(zhì)中陽(yáng)離子效應(yīng)的不同機(jī)制。與體相溶液中的陽(yáng)離子相比，外赫爾姆霍茲平面（OHP）上的水合陽(yáng)離子顯示出明顯的酸性，這被認(rèn)為是為了調(diào)節(jié)陰極附近 HER 和 CO2?還原的反應(yīng)活性。
更重要的是，陽(yáng)離子在 OHP 附近聚集會(huì)調(diào)節(jié)雙電子層中的電場(chǎng)分布。一方面，陽(yáng)離子會(huì)屏蔽陰極產(chǎn)生的電場(chǎng)，從而延緩 H+?的遷移。
另一方面，陽(yáng)離子會(huì)增強(qiáng)固定層中的電場(chǎng)，從而穩(wěn)定 CO2?還原過(guò)程中吸附的極性中間產(chǎn)物，如 *CO2和 *OCCO。由于這些作用，H+?還原受到抑制，而 CO2?還原得到促進(jìn)。
此外，在 OHP 上部分脫水的堿金屬陽(yáng)離子可通過(guò)短程靜電作用進(jìn)一步穩(wěn)定吸附的極性中間產(chǎn)物。
這種效應(yīng)被認(rèn)為是實(shí)現(xiàn)二氧化碳吸附和 C-C 偶聯(lián)以形成 C2+?產(chǎn)物所不可或缺的。所有上述效應(yīng)都源于陽(yáng)離子在陰極附近的積聚，而不是在體相電解液中的積聚。
因此，固定在陰極表面的陽(yáng)離子層也可以在酸性條件下實(shí)現(xiàn)二氧化碳還原，而不需要溶解在體相電解液中的金屬陽(yáng)離子。陽(yáng)離子聚電解質(zhì)很有希望完成這一任務(wù)。
圖1. 使用酸性電解液進(jìn)行二氧化碳電化學(xué)還原的示意圖
a 在含 K+?的酸性電解液中，GDE 上形成KHCO3?沉淀的可能機(jī)制。插圖顯示了在 0.1 M H2SO4?+ 0.4 M K2SO4?中進(jìn)行二氧化碳電還原實(shí)驗(yàn)后 Ag/GDE 橫截面的 EDS 圖譜。
綠色和黃色區(qū)域分別代表 K 和 Ag 元素的分布。b?帶有 PEM 的雙室電池中陽(yáng)離子的遷移。tH+?和 tK+?分別代表 H+?和 K+?在 PEM 中的轉(zhuǎn)移數(shù)。c?K+?對(duì) *CO2?中間體吸附和 H+?遷移的影響。
黑色虛線表示 OHP。綠色曲線表示 K+?的濃度曲線。d 固定陽(yáng)離子層對(duì) *CO2?中間體吸附和 H+?遷移的影響。
a 在電流密度為 -200 mA cm-2?的恒定電解過(guò)程中 CO 的 FE。
c?在電流密度為 -200 mA ?cm-2?的恒定電解過(guò)程中陰離子溶液和陽(yáng)離子溶液的 pH 值。
d?以 -200 mA cm-2?的恒定電流密度電解 10 小時(shí)后，陰極滲透的電解質(zhì)的質(zhì)量。
圖3.?c-PDDA 修飾催化劑在 0.1 M H2SO4?中的二氧化碳還原性能
a 采用 Ag NPs 和?b?In NPs 作為催化劑進(jìn)行的恒電流測(cè)試實(shí)驗(yàn)。
圖4.?聚合物層對(duì) Ag MDE HER 性能的影響
a?Ag MDE 在 10 mM HOTf 中的 HER 極化曲線（實(shí)心曲線）：?jiǎn)我坏腁g MDE（黑色）、被 c-PDDA修飾的Ag MDE（橙色）、Sustainion XA-9（藍(lán)色）、PTFE（深黃色）和 Nafion D520（洋紅色）。灰色和紅色虛線分別表示裸 Ag MDE 在 10 mM KOTf 和 10 mM HOTf + 10 mM KOTf 中的 HER 極化曲線。
b?HER 極化曲線中穩(wěn)定電流的比較。從 -1.2 V 到 -1.5 V vs SHE 的平均電流被視為穩(wěn)定電流。
圖5.?模擬聚合物層對(duì) H+傳輸?shù)挠绊?/strong>
a 模擬所用模型。紅色曲線表示電勢(shì)曲線。ρ 是總電荷密度，ρp 是聚合物層攜帶的電荷密度。
?b?在距離 OHP 2 μm 處，電極電勢(shì)為 -1.8 V 時(shí) H+的遷移率。
c?在 10 mM HOTf 中，不同 ρp（單位：C cm-3）的聚合物層覆蓋的 Ag 電極的電位曲線。
d?不同電極電位下銀電極 OHP 的局部 pH 值。實(shí)線表示在 10 mM HOTf 中被不同 ρp（單位：C cm-3）的聚合物層覆蓋的銀電極。
圖6.?聚合物層對(duì)固定層電場(chǎng)強(qiáng)度的影響
a?在 10 mM HOTf 溶液中，ρp = 300 C cm-3（橙色曲線）和ρp = 0（黑色曲線）的聚合物層覆蓋的 Ag 電極上的電位曲線（-1.8 V vs SHE）。
b?根據(jù)電極電位繪制的 Stern 層電場(chǎng)強(qiáng)度圖。
綜上所述，作者使用具有高陽(yáng)離子密度的交聯(lián)聚電解質(zhì) c-PDDA 修飾催化劑，實(shí)現(xiàn)了在無(wú)堿金屬陽(yáng)離子的酸性電解液中還原 CO2。這種方法使得銀催化劑和銦催化劑上分別生成了 CO 和甲酸，并具有很高的法拉第效率。
本文利用 MDE 和 GMPNP 模擬進(jìn)行的電化學(xué)測(cè)量表明，聚合物層所攜帶的陽(yáng)離子位點(diǎn)在實(shí)現(xiàn) CO2?還原過(guò)程中發(fā)揮了與溶解在酸性電解液中的堿金屬陽(yáng)離子類似的作用，即抑制 H+?的遷移并增強(qiáng)固定層中的電場(chǎng)。
在不含金屬陽(yáng)離子的酸性電解液中進(jìn)行二氧化碳還原，有助于通過(guò)維持電解液的 pH 值以及抑制電解液涌入 GDE來(lái)提高二氧化碳還原技術(shù)的可持續(xù)性。
Qin, HG., Du, YF., Bai, YY.?et al.?Surface-immobilized cross-linked cationic polyelectrolyte enables CO2?reduction with metal cation-free acidic electrolyte.?Nat Commun?14, 5640 (2023). https://doi.org/10.1038/s41467-023-41396-2
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